Введение к работе
Актуальность темы. Системы, в которых спиновая и орбитальная степени свободы носителей тока связаны друг с другом вызывают большой интерес и являются основными объектами исследований для применений в спинтронике. Такая связь осуществляется, например, в средах с релятивистскими (спин-орбитальными) взаимодействиями. Другая причина зависимости пространственных и спиновых переменных друг от друга обусловлена многоэлектронными эффектами и может быть описана в рамках одноэлек-тронной задачи введением эффективного обменного поля, пропорционального намагниченности вещества в каждой точке М{г) и действующего на спин частицы [1,2]. Действие обменного поля на спин формально эквивалентно его нахождению во внешнем магнитном поле Н(г) ~ М(г), и в случае неколлине-арной конфигурации Н{г) проекция спина не является "хорошим" квантовым числом. Отметим, что будучи частью кулоновского взаимодействия, обменное взаимодействие даёт весьма значительную поправку к энергии порядка десятых долей электронвольта. Ввиду сказанного, более глубокое понимание механизмов, приводящих к существованию неколлинеарных (например, спиральных) магнитных распределений в естественных кристаллах и, особенно, возможность их моделирования и реализации в получаемых искусственно (ID [3], или 2D [4]) наноструктурах составляет цель диссертационной работы.
Возникновение магнитных спиралей, как правило, объясняется конкуренцией обменных взаимодействий между ближайшими J\ и вторыми J^ соседями при выполнении условия J1/4J2 < 1 [5], либо релятивисткими слагаемыми в энергии в средах без центра инверсии [6]. Особенностью обменных спиновых спиралей является отсутствие явного предпочтения ни для лево-, ни правозакрученной системы, однако такое вырождение может сниматься, например, взаимодействием Дзялошинского-Мории вида -Di2[ ^i х М<2\, где М\ и М^ - магнитные моменты в соседних точках, D\2 некоторый аксиальный вектор (вектор Дзялошинского), приводящему к образованию структур с определённой киральностью [7]. Существенным обстоятельством является то, что вектор Дзялошинского отличен от нуля только в нецентросимметрич-ных кристаллах. Одной из задач диссертации являлось определение условий при которых взаимодействие, пропорциональное векторному произведению М\ х М^ может реализовываться в искуственных цепочках однодоменных магнитных частиц.
Особое место в исследованиях ферромагнитных систем занимает вопрос о характере дипольного упорядочения в двумерных системах с дально-действующим диполь-дипольным взаимодействиям. При этом для простоты
рассматривались в основном идентичные точечные классические диполи с фиксированным по величине моментом, упорядоченные в узлах бесконечной плоской решёки определённой симметрии. Интерес к подобным объектам обусловлен особенностями дипольного тензора, из-за чего задача о структуре основного состояния становится нетривиальной даже при нулевой температуре и в отсутствии внешнего магнитного поля [8]. Важным обстоятельством здесь явилось понимание роли вида взаимодействий. Так, поскольку величина дипольного момента не зависит от его положения, число возможных дипольных конфигураций ограничено набором вырожденных соизмеримых упорядочений, тип которых определяется решёткой Бравэ [8-10]. С другой стороны, подобные структуры удобны для моделирования задач статистической физики, примером служит эффект снятия вырождения основного состояния из-за тепловых флуктуации на квадратной и гексагональной решётках [11]. В этой связи представляется интересным изучение двумерных решёток со сложной элементарной ячейкой, где величина дипольного момента определяется номером узла в котором он находится.
Как было отмечено, присутствие обменного s-d взаимодействия делает необходимым знание о магнитном состоянии вещества, задаваемом распределением векторов магнитных моментов, для определения его физических свойств, например, сопротивления току для проводящих ферромагнетиков. Идея управления движением электрона путём воздействия на его спин привела к возникновению отдельной области квантовой электроники - спинтрони-ки, развитие которой можно условно поделить на несколько этапов. Первый этап связан с открытием гигантского магниторезистивного эффекта (GMR) в 1988 году в магнитных многослойных плёнках [12], и возрожднием интереса к туннельному магнитному сопротивлению (TMR) [13], он предполагает контроль резистивного состояния системы посредством изменения её магнитной структуры с помощью внешних магнитных полей. Переход ко второму этапу инициирован работами Слончевского [14] и Берже [15], где предсказано явление передачи спинового момента (spin - transfer torque) от поляризованных по спину носителей к намагниченности ферромагнетика, в результате чего происходит его перемагничивание. И, наконец, третий этап рассматривает возможность генерации электрического тока (или напряжения) в ферромагнетиках с нестационарной намагниченностью [16]. Важным условием возникновения постоянного тока при этом является неоднородность (неколлинеарность) распределения намагниченности в структуре. В нашей работе проанализирована возможная микроскопическая природа генерации тока в магнитной структуре с нестационарным распределением намагниченности. В качестве подобной структуры, имитирующей вращающийся геликоид, мо-
жет быть выбрана когерентная магнитостатическая волна, введённая извне в ферромагнетик. При этом возникновение постоянного тока не связано с поглощением энергии волны и он может протекать без процессов диссипации.
Целью данной диссертационной работы было определение условий существования неколлинеарных распределений намагниченности в решётках однодоменных магнитных частиц со сложной элементарной ячейкой и исследование новых транспортных явлений в таких системах.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
-
Определены условия возникновения неколлинеарных магнитных распределений в одномерных решётках (цепочках) однодоменных магнитных частиц.
-
Определены условия возникновения неколлинеарных магнитных распределений в двумерных системах однодоменных магнитных частиц.
-
Исследованы механизмы возникновения электрического тока в магнетике с неоднородным распределением намагниченности.
Научная новизна:
-
Впервые, исходя из симметрии тензора магнитостатических взаимодействий, рассмотрен механизм возникновения антисимметричного по перестановке магнитных моментов взаимодействия в средах с неоднородной магнитной проницаемостью.
-
Сформулированы условия существования модулированных магнитных структур (магнитных спиралей) в цепочках однодоменных ферромагнитных частиц, взаимодействующих только магнитостатическим образом. Предсказано, что магнитные спирали могут реализовываться в одномерных решётках, элементарная ячейка которых не является ячейкой Бравэ и содержит два различных по величине магнитных момента М\ и М2.
-
Теоретически исследован каскад фазовых переходов между равновесными состояниями в системе магнитных диполей с величинами магнитных моментов М\ и М2, размещённых в шахматном порядке в узлах двумерной квадратной решётки, в зависимости от отношения [М\ — M.2)j{M\ + М2).
-
Рассмотрен возможный микроскопический механизм генерации электрического тока в среде с неоднородной нестационарной намагниченностью, активно исследуемый в рамках различных феноменологических моделей.
Научная и практическая значимость:
Полученные в диссертации результаты расширяют понимание природы возникновения различных неколлинеарных магнитных структур в системах с чисто магнитостатическим взаимодействием, что позволит создавать искусственные магнитные распределения с заданными характеристиками. В частности, теоретически предсказанная возможность снятия вырождения по направлению вращения спинов в магнитных системах над поверхностями диамагнетиков или парамагнетиков расширяет список эффектов, которые могут быть обусловлены магнитостатическими дипольными взаимодействиями. Микроскопическая теория движения электронов в средах с нестационарной неколлинеарной намагниченностью раскрывает механизмы возникновения эффекта генерации постоянного электрического тока в них и позволяет сделать оценки его величины для конкретного материала.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Основное состояние бесконечной эквидистантной цепочки однодоменных магнитных частиц (дисков) с магнитостатическим дипольным взаимодействием является геликоидальным, если на элементарную ячейку приходятся два различных по величине магнитных момента, соотношение величин которых определяет период спирали.
-
Магнитостатические (дипольные) взаимодействия приводят к снятию кирального вырождения в средах с неоднородным распределением магнитной восприимчивости подобно взаимодействию Дзялошинского-Мории в нецентросимметричных кристаллах.
-
Система диполей, различающихся величиной магнитного момента и расположенных в шахматном порядке в узлах двумерной квадратной решётки, характеризуется серией переходов между коллинеарными и некол-линеарными магнитными фазами в зависимости от отношения величин дипольных моментов в элементарной ячейке.
-
Вращение геликоидального распределения намагниченности в проводящем ферромагнетике вызывает появление постоянного электрического тока.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:
-
Международный симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника" (Нижний Новгород 2009, 2011, 2012, 2013);
-
Moscow International Symposium on Magnetism "MISM-2011"
(Moscow, August 21-25, 2011);
3. International Conference "Dzyaloshinskii-Moriya Interaction and Exotic Spin Structures" (Veliky Novgorod, May 28 - June 1, 2013); а также на семинарах Института физики микроструктур (ИФМ) РАН (Н. Новгород).
Личный вклад. Все формулы и аналитические результаты получены автором лично. Диссертант принимал непосредственное участие в подготовке статей к печати. Все работы опубликованы в соавторстве с Фраерманом А. А., который осуществлял научное руководство и формулировал задачи.
Вклад соавторов. Соавторами И. М. Нефедовым, М. В. Сапожнико-вым, И. Р. Каретниковой и И. А. Шерешевским получены численные результаты, касающиеся магнитного состояния двумерной решётки диполей. Соавтором И. Д. Токманом было предложено применить метод матрицы плотности для описания релаксационных процессов в задаче о генерации постоянного электрического тока когерентной спиновой волной.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 9 печатных изданиях, 3 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 6 — в тезисах докладов.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и двух приложений. Полный объем диссертации составляет 132 страницы с 28 рисунками и 1 таблицей. Список литературы содержит 92 наименования.